REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES

 

Edwuis Romero

Tecnoconsult Ingenieros Consultores. Apartado 50861. Caracas 1050A. Venezuela

 

Resumen

 

En la búsqueda de la integración de las Comunicaciones industriales, fueron desarrolladas las Redes de Comunicaciones Industriales (RCI). Las R.C.I, tienen su origen en los estudios efectuados por la fundación FielBus, que buscaba la creación y desarrollo de esquemas de Comunicaciones universales y de arquitectura abierta.

La red Profibus esta basada en los estándares de FielBus, realiza el proceso de adquisición de datos y los transmite a niveles gerenciales, pudiendo comunicarse a través de Ethernet y realizar aplicaciones en Novell Net o TCP/IP en paralelo y sin producir interferencia entre ellas.

El medio físico que soporta a Profibus esta integrado por una Red Eléctrica (cable bifilar trenzado), Red óptica (cable de fibra óptica) o una combinación de ambas.

Abstract

 

Industrial Communications Networks (RCI) were developed in the search of integration of industrial communications. R.C.I has its origin in the studies made by the FielBus foundation that looked for the creation and development of outlines of universal communications and of open architecture.

The Profibus network is based on the standards of FielBus. It carries out the process of data acquisition and transmits them to managerial levels, being able to communicate through Ethernet and to carry out applications in Novell Net or TCP/IP in parallel and without producing interference among them.

The physical media that supports Profibus includes an Electrical Network (two-conductor braided cable), optical Network (fiber optic cable) or a combination of both.

 

INTRODUCCION

 

 

Las redes de Comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FielBus (Redes de campo). La fundación FielBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. FielBus permite disponer de una nueva tecnología para una nueva generación de sistemas de control y automatización, físicamente más simple, donde toda la rutina de control regulatorio y control lógico, es efectuado por dispositivos de campos, posibilitando además una arquitectura abierta donde cualquier fabricante de equipos de instrumentación pueda integrarse a la red de campo existen en una fabrica o empresa (Marcos Peluso, 1994).

La gran mayoría de los fabricantes de instrumentos han anunciado la posibilidad de desarrollar productos basados en las especificaciones de la fundación FielBus (Henrry Caro, 1997). En este momento existen los desarrollos liderizados por organizaciones que agrupan a ciertos fabricantes, que en algunos casos tuvieron como punto de partida estándares establecidos en algunos países. Entre estos tenemos a Profibus, WorldFip y LonWorks que poseen como principal ventaja su amplia base instalada. Este trabajo estudiara el estándar Profibus, ya que esta siendo usado en el proyecto "Minera Loma de Níquel" desarrollado conjuntamente las empresas MINORCA y TECNOCOSULT.

 

PROFIBUS : Totalmente normalizado y con proyección a futuro.

 

En las fabricas muchos componentes como (válvulas, actuadores, accionamiento, transmisores etc..), por lo general operan muy distante de las computadoras o autómatas. Por ello, hoy en día en el área de campo (espacio físico donde se efectúa el proceso de la fabrica) se instalan unidades periféricas descentralizadas (estaciones remotas de entradas y salidas); estas constituyen por así decir, la avanzada inteligente in situ.

Estas estaciones remotas deben comunicarse a través de un bus de comunicación con los computadoras ubicados en las diferentes salas de control, para así conocer como esta funcionando la planta.

Los usuarios (industrias o fabricas) requieren un sistema de bus de campo con las siguientes características:

  1. Aptitud universal para los mas distintos equipos, sectores y aplicaciones.
  2. Normalización en ISO, DIN u organismo de normalización semejante.

 

La aptitud universal del bus de campo reduce los costos de ingeniería en los sistemas de control, ya que los usuarios no deben ampliar su propio know-how para distintos sistemas.

El primer bus de campo que cumple este requisitos es el PROFIBUS. Normalizado con EN 50 170, tomo 2, norma PROFIBUS, este bus ofrece interfaces de usuario tanto para Comunicaciones rapidas con dispositivos de campo, por ejemplo estaciones perifericas o descentralizadas o accionamientos, como para un amplio intercambio de dato entre equipos maestros.

La rápida difusión del PROFIBUS pone de manifiesto la elevada aceptación entre los usuarios.

El PROFIBUS esta optimizado para el nivel de campo, lo cual pone de manifiesto también sus distintas interfaces de usuario (ver tabla No.1):

  1. PROFIBUS-FMS:ofrece servicio de usuario estructurados (semejantes al MMS) para la comunicación abierta en pequeñas células (valores caracteristicos de 10-15 equipos de automatización como autómatas SIMATIC o PCs). En estas configuraciones, lo principal es el voluminoso intercambio de información y no el tiempo de respuesta de los mismos.
  2.  

  3. PROFIBUS-DP: Es la interfaz de usuario para el acoplamiento de dispositivos de campo(por ejemplo, accionamiento, estaciones periféricas descentralizadas ET200, isletas de válvulas).
  4.  

  5. PROFIBUS-PA: Se utiliza para la automatización de procesos en recintos expuestos al peligros de explosiones (áreas clasificadas).El proceso de transmisión cumple la norma internacional IEC 1158-2, el perfil de protocolo es PROFIBUS FMS(Siemens, Catálogo IK 10, 1997).

 

El PROFIBUS ofrece, además de ello el interfaz optimizado SEND/RECEIVE para permitir una sencilla comunicación entre sistemas SIMATIC(equipos autómatas (fabricados por SIEMENS).

Al igual que en el industrial Ethernet, también PROFIBUS, permite la creación de una red con cable bifilar o cables de fibra óptica.

 

Tabla No.1. Resumen del campo de aplicación de protocolos Profibus

 

Protocolo

Aplicable Para

Interfaces de usuario

FMS

SIMATIC S5/S7,PG / PC, HMI

Funcionalidad elevada

DP

Dispositivo de campo binario y analógicos inteligentes.

Optimizada para Comunicaciones con disp. de campo

SEND/RECEIVE

SIMATIC S5/S7,PG / PC, HMI

Funcionalidad elemental

 

Funciones S7

SIMATIC S7,PG/PC, HMI

Funcionalidad elevada para com. Con SIMATIC S7

 

 

FUNCIONES DEL PROFIBUS

 

El método de acceso a PROFIBUS funciona por el procedimiento "Token Passing con maestro-esclavo subyacente" según EN 50 170, tomo 2. En este método se distingue entre aparatos (estaciones) de red activos y pasivos. El "Token" lo reciben únicamente los aparatos activos acoplados al bus. Este Token es el derecho a emisión que un aparato activo acoplado al bus transmite al siguiente dentro de un período de tiempo predefinido.

Se identifica automáticamente si ha fallado un aparato acoplado al bus o si se ha incorporado un aparato más. Todos los aparatos que integran la red deben estar configurados a idéntica velocidad de transmisión.

 

CONSTRUCCION

Profibus ofrece un amplio espectro de componentes de red para sistemas de transmisión eléctricos y ópticos.

  1. Red eléctrica: La red eléctrica utiliza un cable bifilar trenzado apantallado como medio de transmisión. La Interfaz RS 485 funciona con diferencia de tensión. Por este motivo, es más inmune a las interferencias que una interfaz de tensión o de corriente. En PROFIBUS los aparatos pertenecientes al bus están conectados a éste a través de un terminal de bus o un conectador de conexión a bus (máximo 32 equipos acoplados por segmento). Los distintos segmentos se conectan a través de repetidores.
  2. La velocidad de transmisión puede configurarse por nivel desde 9.6 Kbits/seg hasta 1.5 Mbits/seg según PROFIBUS para aplicaciones en DFP.

     

  3. Red óptica: La red óptica de PROFIBUS, utiliza un cable de fibra óptica como medio de transmisión. La variante del cable de fibra óptica es inmune a las interferencias electromagnéticas, es apta para grandes distancias de transmisión (cables de fibra opcionalmente de plástico o vidrio).
  4. La velocidad de transmisión puede configurarse por niveles desde 9.6 Kbits/seg hasta 1.5 Mbits/seg. (según EN 50 170, tomo 2, PROFIBUS).

    La longitud máxima de segmento en la variante óptica del PROFIBUS es independiente de la velocidad de transmisión (excepción anillos ópticos redundantes.)

    La configuración de las redes de fibra óptica se realiza mediante OLMs (Optical Link Module) con cable de fibra óptica de vidrio o de plástico.

    Con OLMs es posible crear una red óptica con topología lineal, en anillo o en estrella.

    Con la ayuda de OLPs (Optical Link Plugs) se puede realizar anillos monofásicos sencillos de plástico.

    El aparato terminal se conecta directamente a OLM u OLP. La conexión de aparatos terminales a OLP se realiza únicamente con estaciones pasivas PROFIBUS (esclavos DP/FMS).

    Los anillos ópticos pueden configurase como anillos monofásicos (económicos) o como anillos bifásicos (superior disponibilidad de la red).

  5. Red combinada: Son posibles estructuras mixtas de red PROFIBUS eléctrica y óptica.

La transición entre ambos soportes se realiza a través del OLM.

En la comunicación entre los aparatos acoplados al bus no existe ninguna diferencia entre los que están interconectados a través de un sistema eléctrico y lo que están a través de fibra óptica. Como máximo pueden conectarse 127 aparatos a una red PROFIBUS (Siemens, Catálogo, IK 10, 1997).

PROFIBUS CON INDUSTRIAL ETHERNET:

 

Industrial Ethernet es un sistema de bus, basado en IEEE 802.3, apto para la industria. Diseñada para la industria, esta red se caracteriza por:

  1. Conexión de sistemas de automatización entre si y con PC y Workstations para lograr una comunicación homogénea y heterogénea.
  2. Posibilidad de realizar amplias soluciones mediante redes abiertas.
  3. Elevado rendimiento de transmisión
  4. Diferentes soportes de transmisión (cable triaxial, par trenzado industrial, cable de fibra óptica)

 

FUNCIONES

 

La red Industrial Ethernet funciona por el método de acceso normalizado CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection) en la norma IEEE 802.3. Industrial ofrece una amplia gama de componentes de red para sistema de transmisión eléctricos y ópticos.

CONSTRUCCION

 

  1. Red Eléctrica: La red eléctrica emplea como soporte de transmisión la clásica estructura de bus con un cable triaxial. Con electrical link modules (ELM) o industrial twisted Pair (ITP), ofrece una ampliación y alternativa al cableado convencional al bus para conexiones de terminales. Con la ayuda de acopladores en estrella activos pueden crearse redes radiales (en estrella) de bajo costo y según la IEEE802.3.
  2. Red Optica: La variante óptica de la red industrial puede configurarse con topología lineal, radial o en estrella, realizada con optical link modules (OLM) o acopladores activos en estrella. Utiliza cable de fibra óptica como soporte de transmisión. Es posible realizar configuraciones de red con un alcance de hasta 4.5Km.
  3. Red Combinada: Las redes eléctricas y ópticas pueden combinarse. Con ello es posible aprovechar las ventajas y posibilidades de configuración de ambos tipos de red a través de switches MultiLan MR 8-03, también es posible un acoplamiento tipo WAN a la red ISDN(RDSI).

 

Industrial Ethernet, puede realizar en paralelo aplicaciones para Novell Network o TCP/IP sin que se produzcan interferencias mutuas.

Con las interfaces industriales Ethernet, existe la posibilidad de utilizar simultáneamente en la red varios protocolos distintos. De esta manera resulta facil la transmisión entre las Comunicaciones de producción y la de oficina(http://www.ad.siemens.com.simatic-cs).

 

Red Industrial Ethernet (jerarquía)

EL MODELO OSI DE 7 NIVELES. BASE FUNDAMENTAL DE LAS COMUICACIONES ABIERTAS.

Si el intercambio de datos entre sistemas de automatización se produce a través de un bus, es importante definir el sistema de transmisión y el procedimiento de acceso. Además, deben definirse informaciones, por ejemplo, sobre el establecimiento de las Comunicaciones. Por este motivo, la Organización de Normalización Internacional (ISO), definió un modelo de siete niveles o capas (ver tabla No.2). Este modelo se subdivide en dos secciones(Siemens, Catálogo, IK 10, 1997):

  1. Orientados al transporte (niveles 1-4)
  2. Orientados al usuario(niveles 5-7)

 

TablaN.2 Resumen del modelo ISO

 

7

Nivel de aplicación.

Funciones de aplicaciones

Lectura, escritura Transferencia de archivos.

6

Nivel de presentación

Visualización de datos.

Lenguaje Común.

5

Nivel de sesión

Sincronización control de Comunicaciones

Coordinación de la comunicación.

4

Nivel de transporte.

Establecimiento, terminación comunicación., confirmaciones

Transmisión asegurada de información bruta.

3

Nivel de red.

Direccionamiento de otras redes/interconexión de redes.

Comunicaciones entre redes.

2

Nivel de enlace de datos.

Procedimiento de acceso Transmisión asegurada

Comprobación, CRC, Token

1

Nivel físico.

Características físicas de la autorización de transmisión.

Cable coaxial, triaxial, fibra óptica

Niveles

Designación

Función

Característi-cas

 

 

CONCLUSIONES

 

Las redes de comunicación industrial, permiten conocer todo lo referente a un proceso industrial a través de las variables fundamentales medidas por instrumentos instalados en campo, permitiendo a la gerencia saber como está funcionando su empresa.

Además otro aspecto fundamental es que permite controlar a grandes distancia la planta. Para realizar el control y poder integrar cada uno de los instrumentos de campo es necesario tener un estándar para que puedan ellos comunicarse.

Profibus, basada en el estándar de la FielBus, permite acoplar diferentes equipos de marcas distintas. Puede formar diferente topología (estrella, bus lineal o token) y siempre con arquitectura abierta.

 

REFERENCIA

 

CARO. H, 1997. Sistemas basados en FielBus.

PELUSO, Marcos,1995,Conociendo FielBus.

SIEMENS, Simatic Net. Comunicaciones Industriales (Catálogo IK 10, 1998).

SIEMENS, Simatic Net. Redes de Comunicaciones Industriales (Catálogo IK 10, 1997).

SIEMENS, Simatic. Sistemas de Automatización Simatic, (Catálogo ST 70, 1996).

SIEMENS, PROFIBUS & AS-INTERFAZ Filbus componests (Catalog ST PI, 1996).

 

BIOGRAFIA

 

Edwuis Romero, Ingeniero de Sistemas, graduado el 21/07/97 en la UNEXPO, V-R "Luis Caballero Mejias".

TSU. en Eléctricidad en el año de 1991 en la UNEXPO, V-R "Luis Caballero Mejias".

Trabajo en Tecnoconsult Ingenieros, para el Proyecto "Minera Loma de Niquel".